EP3627671A1 - Verfahren zur herstellung einer wickelkopfanordnung für eine elektrische rotierende maschine - Google Patents

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EP3627671A1
EP3627671A1 EP18195858.8A EP18195858A EP3627671A1 EP 3627671 A1 EP3627671 A1 EP 3627671A1 EP 18195858 A EP18195858 A EP 18195858A EP 3627671 A1 EP3627671 A1 EP 3627671A1
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EP
European Patent Office
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intermediate layer
base body
conductors
insulating base
winding head
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18195858.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Brach
Jens Dahl Jensen
Horst KÜMMLEE
Hartmut Rauch
Olaf Rehme
Jakob Schneck
Frank Seibicke
Oliver Stier
Mark Tobias Zegenhagen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Priority to CN201980061556.2A priority patent/CN112740519B/zh
Priority to US17/278,148 priority patent/US11901783B2/en
Priority to EP19778846.6A priority patent/EP3807982B1/de
Priority to PCT/EP2019/074645 priority patent/WO2020058164A1/de
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    • H02K15/0081—Connecting winding sections; Forming leads; Connecting leads to terminals for form-wound windings
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    • H02K15/105—Applying solid insulation to windings, stators or rotors to the windings
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a winding head arrangement for an electrical rotating machine.
  • the invention further relates to a winding head arrangement for an electrical rotating machine, which is produced by such a method.
  • the invention relates to a stator for an electric rotating machine, which has a magnetic field-guiding stator element and at least one such winding head arrangement.
  • the invention also relates to an electrical rotating machine with at least one such stator.
  • stator windings of such an electrical rotating machine which can be operated with an output of at least one megawatt, are usually designed as shaped coils.
  • Form coils are produced, for example, by means of drawing, casting or powder metallurgy.
  • This winding head requires a considerable amount of axial space.
  • the additional inactive conductor length of the winding head creates ohmic losses which reduce the efficiency of the rotating electrical machine. It is also necessary to cool the winding heads. Additional space is required for cooling.
  • the winding heads of the form coils are manufactured semi-automatically with great effort, for example by bending copper conductors so that they can be placed in the slots.
  • a subsequent connection of the respective copper conductors, isolation of the connection points and stiffening of the copper conductors against one another is carried out manually at great expense.
  • the distance between adjacent slots can only be as small as the bending radius of the insulated copper conductor allows.
  • the patent specification DE 10 2009 032 882 B3 describes a method for producing a shaped coil for a stack winding of a dynamoelectric machine and a shaped coil produced by means of said method.
  • the shaped coil In order to simplify the manufacture of the shaped coil, it is produced from a raw coil, the raw coil having two longitudinal sides which are intended to be inserted in the slots of a stator or a rotor of the dynamoelectric machine.
  • the raw bobbin has two ends of the winding head, which are intended to form a winding end of the shaped coil, the long sides being bent through 90 ° in order to insert the long sides into the grooves and to bend the ends of the end windings from the long sides.
  • the patent specification EP 1 742 330 B1 describes a stator winding head for a stator part of a turbogenerator.
  • the stator winding head is formed in the form of a disk with a central opening for the passage of a rotor, the disk having an insulating base body, into which an electrical connection for contacting a stator conductor is integrated.
  • the contact is made in the form of a plug-in connection and / or with plated-through holes.
  • the disclosure EP 3 297 131 A1 describes a stator for an electrical rotating machine, which has a stator laminated core with coil rods and at least one stator winding head board with an insulating base body.
  • conductor tracks be integrated in the insulating base body, the at least one stator winding head board resting on an end face of the stator laminated core and the conductor tracks being integrally connected to the coil rods.
  • the invention is based on the object of specifying a method for producing a winding head arrangement for an electric rotating machine which, compared to the prior art, is simpler and less expensive.
  • the object is achieved according to the invention by a method for producing a winding head arrangement for an electrical rotating machine with at least one insulating base body, which is at least partially made of a dielectric material, a plurality of conductors made of a metallic material having at least one intermediate layer each with the insulating base body are connected, the intermediate layer being produced from a material which differs from the dielectric material and from the metallic material, the conductors being sprayed onto the intermediate layer by means of a first thermal spraying process, in particular by means of cold gas spraying.
  • the object is achieved according to the invention by a winding head arrangement for an electrical rotating machine, which is produced by such a method.
  • stator for an electrical rotating machine which has a magnetic field-carrying stator element and at least one such winding head arrangement.
  • an electrical rotating machine with at least one such stator.
  • the invention is based on the consideration of optimizing the manufacture of a winding head arrangement by using a thermal spraying process in that conductors of the winding head arrangement are produced by spraying metallic solid particles, so-called spray particles, onto an insulating base body via an intermediate layer.
  • spray particles By spraying the spray particles, a dense and firmly adhering layer is formed.
  • Thermal spray processes are, for example, arc spraying, plasma spraying, flame spraying or cold gas spraying.
  • the spray particles contain, for example, copper, while the insulating base body is made from a dielectric material, for example from a plastic or a ceramic material.
  • the insulating base body has an, for example electrically conductive, base plate which, at least in the region of the conductors, is coated with an insulating layer made of a dielectric material, for example made of a plastic or a ceramic material.
  • an intermediate layer made of a material which differs from the dielectric material and the metallic material is arranged thereon, onto which the spray particles are sprayed.
  • the intermediate layer is connected to the dielectric material of the insulating base body and is produced, for example, from silver (Ag), aluminum, antimony, magnesium, tin, zinc, lead, tantalum or from a mixture and / or from at least one alloy thereof.
  • the conductors are sprayed onto the intermediate layer by means of cold gas spraying.
  • Cold gas spraying is a thermal spray process, whereby the spray particles are accelerated to such a high speed that, in contrast to other thermal spray processes, they form a dense and firmly adhering layer even without prior melting or melting on impact with the substrate. Since the material applied by means of cold gas spraying is not melted, but rather is deformed by its kinetic energy, the intermediate layer and the dielectric base body are only exposed to very low temperatures in comparison to other thermal spray processes.
  • the intermediate layer is connected to the insulating base body at least via a positive connection.
  • the winding head arrangement is protected from, for example, thermal and / or mechanical, external influences by an, in particular additional, positive connection.
  • the intermediate layer is sprayed onto the insulating base body by means of a second thermal spraying method, in particular by means of cold gas spraying, the second thermal spraying method differing from the first thermal spraying method.
  • the metallic material of the conductor has the highest possible electrical conductivity
  • the material of the intermediate layer is suitable for forming a mechanically and thermally stable connection between the dielectric base body and the respective conductors.
  • the second thermal spraying process is optimized to gently apply the intermediate layer to the dielectric base body.
  • the intermediate layer is sprayed on using a thermal spraying process in order to implement a continuous and uniform manufacturing process.
  • the second thermal spraying method differs from the first thermal spraying method in terms of a speed and / or a size of the particles.
  • a speed and / or a size of the particles For example, when using a soft material such as tin, a lower kinetic energy is required so that the solid particles form a tight, firmly adhering layer when they hit it. This prevents damage to the dielectric base body.
  • the intermediate layer is particularly advantageously arranged at least partially in grooves in the insulating base body. Due to an arrangement in grooves, the intermediate layer is robust against external influences.
  • the grooves of the insulating base body have a profile, via which the positive connection is established.
  • the profile is dovetail-shaped or hammer-head-shaped. The positive connection is stabilized by the profiling.
  • electrical insulation is applied in a further step. Electrical insulation prevents short circuits between the conductors, for example.
  • Cooling channels are particularly advantageously arranged in the insulating base body. For cooling during operation, a cooling fluid flows through the cooling channels, which dissipates the heat generated in the conductors. In particular when using an insulating base body with low thermal conductivity, it is necessary to cool the conductors via cooling channels.
  • the conductors are arranged in at least two planes, in particular arranged one behind the other in the axial direction.
  • the space required for the end winding arrangement is reduced by an arrangement in levels.
  • a connecting element is, for example, a conductor element which is permanently connected to a conductor of the first level and a conductor of the second level.
  • a dielectric material with a dielectric strength of at least 10 kV / mm is used.
  • dielectric materials are, for example, thermoplastic materials such as plexiglass and PVC, glass fiber reinforced epoxy resins, which optionally contain mica, or ceramic materials such as aluminum oxide.
  • a material with such a high dielectric strength makes it possible to reduce the distance between the conductors and to reduce the space requirement of the winding head arrangement.
  • a metallic material which has a higher electrical conductivity and / or a higher strength than the material of the intermediate layer.
  • copper or a copper alloy is used as the metallic material, while the intermediate layer contains, for example, tin.
  • Such materials enable simple and inexpensive manufacture of a winding head arrangement with a high current carrying capacity and high mechanical stability.
  • the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which further develop the invention independently of one another and are therefore also to be regarded individually or in a combination other than the one shown as part of the invention. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
  • FIG 2 shows a three-dimensional representation of a winding head arrangement 24 for an electrical rotating machine 2.
  • the winding head arrangement 24 comprises, for example, two planes E1, E2 arranged one behind the other in the axial direction, each with an insulating base body 26, 28.
  • the winding head arrangement 24 is provided for a two-layer winding.
  • the insulating base body 26, 28 essentially has a hollow cylindrical shape and is made from a dielectric material, for example from a plastic or a ceramic material, with a dielectric strength of at least 10 kV / mm.
  • a plurality of conductors 30 is assigned to each level, the conductors 30 being connected to the respective insulating base body 26, 28.
  • the conductors 30 have, for example, a rectangular or square conductor cross section and are made of a metallic material, in particular copper, with a conductivity of at least 50 MS / m.
  • Metallic connecting sections 32 are arranged on the conductors 30 in order to establish a connection of the conductors 30 to the respective coil rods 22.
  • the conductors 30 of the respective levels E1, E2 are connected via electrically conductive connecting elements 34.
  • the connecting elements 34 are made of copper.
  • FIG 3 shows an enlarged cross section of a first embodiment of a winding head arrangement 24.
  • the conductors 30 are connected to the respective insulating base body 26, 28 via at least one intermediate layer 36, the intermediate layer 36 forming a conductor foundation and via a positive connection to the respective insulating base body 26, 28 is connected.
  • the intermediate layer 36 is made of a material that differs from the dielectric material of the respective insulating base body 26, 28 and from the metallic material of the conductor 30.
  • the intermediate layer 36 is made, for example, of silver, aluminum, antimony, magnesium, tin, zinc, lead, tantalum or of a mixture and / or of at least one alloy made of it.
  • the intermediate layer 36 has additional fillers, such as a ceramic material.
  • the intermediate layer 36 is also made of electrically conductive solid particles which are sprayed onto the insulating base body 26, 28 by means of a second thermal spraying method, in particular by means of cold gas spraying, the second thermal spraying method differing from the first thermal spraying method.
  • the second thermal spraying method differs from the first thermal spraying method with regard to a type of the particles used, a speed of the particles and / or a size of the particles.
  • the intermediate layer 36 is produced by another method, for example by casting or by a galvanic method.
  • the further configuration of the winding head arrangement 24 in FIG 3 corresponds to that in FIG 2 .
  • FIG 4 shows a cross section of conductors 30 of a winding head arrangement 24, the conductors 30 being connected to an insulating base body 26 via an intermediate layer 36 in each case.
  • the intermediate layer 36 is arranged in grooves 38 of the insulating base body 26.
  • the grooves 38 have a profile 40, via which a positive connection with the insulating base body 26 is established.
  • the groove 38 is tapered towards the outside in order to ensure a positive connection of the respective intermediate layer 36 with the insulating base body 26.
  • the groove 38 is a hammer head groove or designed as a dovetail groove.
  • the further configuration of the winding head arrangement 24 in FIG 4 corresponds to that in FIG 3 .
  • FIG 5 shows a schematic representation of a method for producing a winding head arrangement 24, wherein an insulating base body 26 made of a dielectric material with grooves 38 is first provided.
  • the grooves have a profile 40, through which there is a projection of the dielectric material of the insulating base body 26, for example in the region of an opening of the groove 38.
  • an intermediate layer 36 is arranged in the grooves, which is essentially flush with a surface 42 of the insulating base body 26.
  • the intermediate layer 36 is sprayed onto the insulating base body 26 by means of a second thermal spraying method, in particular by means of cold gas spraying.
  • the particles of the second thermal spraying process are sprayed into the respective groove 38 from different directions.
  • the intermediate layer 36 is introduced into the grooves 38 in another way, for example by casting or by a galvanic process.
  • conductors 30 are sprayed onto the intermediate layer 36 by means of a first thermal spraying method, in particular by means of cold gas spraying.
  • a first thermal spraying method in particular by means of cold gas spraying.
  • the intermediate layer 36 enables better adhesion and a greater particle density, since the particles are sprayed onto the intermediate layer 36 at a higher speed than onto the insulating base body 26 can.
  • the use of an intermediate layer 36 for the conductors 30 results in greater electrical conductivity.
  • electrical insulation at least applied to the conductor 30.
  • the further configuration of the winding head arrangement 24 in FIG 5 corresponds to that in FIG 4 .
  • the at least one cooling channel 46 is at least partially arranged in the radial direction. Air, process gas, water, oil or other liquid and / or gaseous cooling media can be used as the cooling fluid.
  • the further configuration of the winding head arrangement 24 in FIG 6 corresponds to that in FIG 5 .
  • FIG 7 shows an enlarged cross section of a third embodiment of a winding head arrangement 24, which comprises two planes E1, E2 arranged one behind the other in the axial direction, each with an insulating base body 26, 28.
  • the insulating base bodies 26, 28 have cooling channels 46, wherein at least one cooling channel 46 of the first insulating base body 26 is fluidly connected to at least one cooling channel 46 of the second insulating base body 28.
  • the further configuration of the winding head arrangement 24 in FIG 7 corresponds to that in FIG 6 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung (24) für eine elektrische rotierende Maschine (2). Um eine Wickelkopfanordnung (24) anzugeben, die, im Vergleich zum Stand der Technik, einfacher und kostengünstiger herzustellen ist, wird vorgeschlagen, dass die Wickelkopfanordnung (24) mindestens einen isolierenden Grundkörper (26, 28) aufweist, welcher zumindest teilweise aus einem dielektrischen Werkstoff hergestellt ist, wobei eine Mehrzahl von Leitern (30) aus einem metallischen Werkstoff über zumindest je eine Zwischenschicht (36) mit dem isolierenden Grundkörper (26, 28) verbunden werden, wobei die Zwischenschicht (36) aus einem Werkstoff, welcher sich vom dielektrischen Werkstoff und vom metallischen Werkstoff unterscheidet, hergestellt wird, wobei die Leiter (30) mittels eines ersten thermischen Spritzverfahrens auf die Zwischenschicht (36) aufgesprüht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung für eine elektrische rotierende Maschine.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Wickelkopfanordnung für eine elektrische rotierende Maschine, welche nach einem derartigen Verfahren hergestellt ist.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Stator für eine elektrische rotierende Maschine, welcher ein magnetfeldführendes Statorelement und mindestens eine derartige Wickelkopfanordnung aufweist.
  • Die Erfindung betrifft überdies eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einem derartigen Stator.
  • Üblicherweise werden die Statorwicklungen einer derartigen elektrischen rotierenden Maschine, welche mit einer Leistung von mindestens einem Megawatt betreibbar ist, als Formspulen, ausgeführt. Formspulen werden beispielsweise mittels Ziehen, Gießen oder Pulvermetallurgie hergestellt. An den Enden der Formspulen befindet sich ein Wickelkopf, der durch Biegen und Abkröpfen der Leiter der Formspulen entsteht. Dieser Wickelkopf benötigt einen erheblichen axialen Bauraum. Durch die zusätzliche inaktive Leiterlänge des Wickelkopfes entstehen ohmsche Verluste, die den Wirkungsgrad der elektrischen rotierenden Maschine verringern. Darüber hinaus ist es erforderlich, die Wickelköpfe zu kühlen. Zur Kühlung wird weiterer Bauraum benötigt.
  • Insbesondere bei schnelllaufenden niederpoligen Maschinen wirkt sich der durch die Wickelköpfe vergrößerte Lagerabstand nachteilig auf die Rotordynamik aus. Ferner sind zusätzliche aufwändige Versteifungsmaßnahmen aufgrund der großen Leiterlängen erforderlich, um unzulässige Schwingungen und Verformungen im Betrieb zu verhindern. Darüber hinaus erhöhen sich die Gesamtlänge und das Gewicht der elektrischen rotierenden Maschine. Insbesondere bei einem modularen Aufbau großer Maschinen, bei dem mehrere Teilmaschinen in Axialrichtung eine Gesamtmaschine bilden, entstehen aufgrund der Wickelköpfe erhebliche elektrisch nicht genutzte Längen.
  • Die Wickelköpfe der Formspulen werden mit hohem Aufwand halbautomatisch gefertigt, beispielsweise indem Kupferleiter so gebogen werden, dass sie passend in die Nuten platzierbar sind. Eine anschließende Verbindung der jeweiligen Kupferleiter, eine Isolierung der Verbindungsstellen und eine Versteifung der Kupferleiter gegeneinander erfolgt manuell unter hohem Aufwand. Prinzip bedingt ist es nur unter hohem Aufwand, beispielsweise unter Verwendung unterschiedlicher Leiterlängen, welche durch Löten verbunden werden, möglich, unterschiedliche Leitergeometrien in den Nuten und in den Wickelköpfen zu realisieren.
  • Bei Zahnspulenwicklungen insbesondere in Flachdrahtausführung kann der Abstand benachbarter Nuten nur so klein sein, wie es der einzuhaltende Biegeradius des isolierten Kupferleiters erlaubt.
  • Die Patentschrift DE 10 2009 032 882 B3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Formspule für eine Etagenwicklung einer dynamoelektrischen Maschine sowie eine mittels des besagten Verfahrens hergestellte Formspule. Um die Herstellung der Formspule zu vereinfachen, wird diese aus einer Rohspule hergestellt, wobei die Rohspule zwei Längsseiten aufweist, die dafür vorgesehen sind, in Nuten eines Ständers oder eines Rotors der dynamoelektrischen Maschine eingelegt zu werden. Die Rohspule weist zwei Wickelkopfseiten auf, die dafür vorgesehen sind, jeweils einen Wickelkopf der Formspule zu bilden, wobei die Längsseiten um 90° derart gebogen werden, um die Längsseiten in die Nuten einzulegen und die Wickelkopfseiten von den Längsseiten abzukröpfen.
  • Die Patentschrift EP 1 742 330 B1 beschreibt einen Ständerwickelkopf für ein Ständerteil eines Turbogenerators. Der Ständerwickelkopf ist in Form einer Scheibe mit einer mittigen Auslassung zur Durchführung eines Läufers gebildet, wobei die Scheibe einen isolierenden Grundkörper aufweist, in den eine elektrische Verbindung zur Kontaktierung eines Ständerleiters integriert ist. Die Kontaktierung wird in Form einer Steckverbindung und/oder mit Durchkontaktierungen hergestellt.
  • Die Offenlegungsschrift EP 3 297 131 A1 beschreibt einen Stator für eine elektrische rotierende Maschine, welcher ein Statorblechpaket mit Spulenstäben und mindestens eine Statorwickelkopfplatine mit einem isolierenden Grundkörper aufweist. Um die axiale Länge des Stators zu verringern, wird vorgeschlagen, dass in den isolierenden Grundkörper Leiterbahnen integriert sind, wobei die mindestens eine Statorwickelkopfplatine auf einer Stirnseite des Statorblechpakets aufliegt und wobei die Leiterbahnen mit den Spulenstäben stoffschlüssig verbunden sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung für eine elektrische rotierende Maschine anzugeben, welches, im Vergleich zum Stand der Technik, einfacher und kostengünstiger ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung für eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einem isolierenden Grundkörper, welcher zumindest teilweise aus einem dielektrischen Werkstoff hergestellt ist, gelöst, wobei eine Mehrzahl von Leitern aus einem metallischen Werkstoff über zumindest je eine Zwischenschicht mit dem isolierenden Grundkörper verbunden werden, wobei die Zwischenschicht aus einem Werkstoff, welcher sich vom dielektrischen Werkstoff und vom metallischen Werkstoff unterscheidet, hergestellt wird, wobei die Leiter mittels eines ersten thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, auf die Zwischenschicht aufgesprüht werden.
  • Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Wickelkopfanordnung für eine elektrische rotierende Maschine gelöst, welche nach einem derartigen Verfahren hergestellt ist.
  • Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Stator für eine elektrische rotierende Maschine gelöst, welcher ein magnetfeldführendes Statorelement und mindestens eine derartige Wickelkopfanordnung aufweist.
  • Zudem wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einem derartigen Stator gelöst.
  • Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Wickelkopfanordnung, den Stator und die elektrische rotierende Maschine übertragen.
  • Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Herstellung einer Wickelkopfanordnung durch die Verwendung eines thermischen Spritzverfahrens zu optimieren, indem Leiter der Wickelkopfanordnung durch Aufspritzen von metallischen Festkörperpartikeln, sogenannten Spritzpartikeln, auf einen isolierenden Grundkörper über eine Zwischenschicht hergestellt werden. Durch das Aufsprühen der Spritzpartikel wird eine dichte und fest haftende Schicht gebildet. Thermische Spritzverfahren sind beispielsweise Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Kaltgasspritzen. Die Spritzpartikel enthalten beispielsweise Kupfer, während der isolierende Grundkörper aus einem dielektrischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem keramischen Werkstoff, hergestellt ist. Alternativ weist der isolierende Grundkörper eine, beispielsweise elektrisch leitfähige, Grundplatte auf, welche, zumindest im Bereich der Leiter, mit einer isolierenden Schicht aus einem dielektrischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem keramischen Werkstoff, beschichtet ist.
  • Um dennoch eine Beschädigung des isolierenden Grundkörpers zu vermeiden, wird darauf eine Zwischenschicht aus einem Werkstoff, welcher sich vom dielektrischen Werkstoff und vom metallischen Werkstoff unterscheidet, angeordnet, auf welche die Spritzpartikel aufgesprüht werden. Die Zwischenschicht ist mit dem dielektrischen Werkstoff des isolierenden Grundkörpers verbunden und wird beispielsweise aus Silber (Ag), Aluminium, Antimon, Magnesium, Zinn, Zink, Blei, Tantal oder aus einer Mischung und/oder aus mindestens einer Legierung davon hergestellt. Mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens sind, im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren, dicke Schichten, beispielsweise im Millimeterbereich und im Zentimeterbereich, in kurzer Zeit und geometrisch sehr flexibel herstellbar. Durch ein thermisches Spritzverfahren wird der Fertigungsprozess somit einfacher und kostengünstiger.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Leiter mittels Kaltgasspritzen auf die Zwischenschicht aufgesprüht. Beim Kaltgasspritzen handelt es sich um ein thermisches Spritzverfahren, wobei die Spritzpartikel auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Da das mittels Kaltgasspritzen aufgetragene Material nicht geschmolzen, sondern durch seine kinetische Energie verformt wird, sind die Zwischenschicht und der dielektrische Grundkörper, im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren, nur sehr geringen Temperaturbelastungen ausgesetzt.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Zwischenschicht zumindest über eine formschlüssige Verbindung mit dem isolierenden Grundkörper verbunden. Durch eine, insbesondere zusätzliche, formschlüssige Verbindung wird die Wickelkopfanordnung vor beispielsweise thermischen und/oder mechanischen, äußeren Einflüssen geschützt.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Zwischenschicht mittels eines zweiten thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, auf den isolierenden Grundkörper aufgesprüht, wobei sich das zweite thermische Spritzverfahren vom ersten thermischen Spritzverfahren unterscheidet. Während der metallische Werkstoff der Leiter eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, ist der Werkstoff der Zwischenschicht dafür geeignet, eine mechanisch und thermisch stabile Verbindung zwischen dem dielektrischen Grundkörper und den jeweiligen Leitern auszubilden. Insbesondere ist das zweite thermische Spritzverfahren daraufhin optimiert, die Zwischenschicht schonend auf den dielektrischen Grundkörper aufzubringen. Darüber hinaus wird die Zwischenschicht mit einem thermischen Spritzverfahren aufgesprüht, um ein durchgängiges und einheitlichen Fertigungsverfahren zu realisieren.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform unterscheidet sich das zweite thermische Spritzverfahren hinsichtlich einer Geschwindigkeit und/oder einer Größe der Partikel vom ersten thermischen Spritzverfahren. Beispielsweise bei der Verwendung eines weichen Werkstoffs wie Zinn ist eine geringere kinetische Energie erforderlich, damit die Festkörperpartikel beim Auftreffen eine dichte, fest haftende Schicht bilden. Dadurch werden Beschädigungen des dielektrischen Grundkörpers vermieden.
  • Besonders vorteilhaft wird die Zwischenschicht zumindest teilweise in Nuten des isolierenden Grundkörpers angeordnet. Durch eine Anordnung in Nuten ist die Zwischenschicht robust gegenüber äußeren Einflüssen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Nuten des isolierenden Grundkörpers eine Profilierung auf, über welche die formschlüssige Verbindung hergestellt wird. Beispielsweise ist die Profilierung schwalbenschwanzförmig oder hammerkopfförmig ausgestaltet. Durch die Profilierung wird die formschlüssige Verbindung stabilisiert.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in einem weiteren Schritt eine elektrische Isolation aufgebracht. Durch eine elektrische Isolation werden beispielsweise Kurzschlüsse zwischen den Leitern verhindert.
  • Besonders vorteilhaft werden Kühlkanäle im isolierenden Grundkörper angeordnet. Durch die Kühlkanäle strömt zur Kühlung während des Betriebes ein Kühlfluid, welches die in den Leitern entstehende Wärme abführt. Insbesondere bei der Verwendung eines isolierender Grundkörper mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist es erforderlich, die Leiter über Kühlkanäle zu kühlen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Leiter in zumindest zwei, insbesondere in Axialrichtung hintereinander angeordneten, Ebenen angeordnet. Durch eine Anordnung in Ebenen wird der benötigte Bauraum der Wickelkopfanordnung reduziert.
  • Besonders vorteilhaft werden die Leiter der zumindest zwei Ebenen über Verbindungselemente miteinander verbunden. Ein Verbindungselement ist beispielsweise ein Leiterelement, welches mit einem Leiter der ersten Ebene und einem Leiter der zweiten Ebene unlösbar verbunden ist. Durch ein derartiges Verbindungselement ist die Wickelkopfanordnung auch bei sehr hoher mechanischer und/oder thermischer Beanspruchung stabil.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein dielektrischer Werkstoff mit einer Durchschlagsfestigkeit von mindestens 10 kV/mm verwendet. Derartige dielektrische Werkstoffe sind beispielsweise thermoplastische Kunststoffe wie Plexiglas und PVC, glasfaserverstärkte Epoxidharze, welche optional Glimmer enthalten, oder keramische Werkstoffe wie Aluminiumoxid. Durch einen Werkstoff mit einer derartig hohen Durchschlagfestigkeit ist es möglich, den Abstand zwischen den Leitern zu verkleinern und den Platzbedarf der Wickelkopfanordnung zu reduzieren.
  • Besonders vorteilhaft wird ein metallischer Werkstoff verwendet, welcher eine höhere elektrische Leitfähigkeit und/oder eine höhere Festigkeit als der Werkstoff der Zwischenschicht aufweist. Beispielsweise wird als metallischer Werkstoff Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet während die Zwischenschicht beispielsweise Zinn enthält. Durch derartige Werkstoffe wird eine einfache und kostengünstige Herstellung einer Wickelkopfanordnung mit einer hohen Stromtragfähigkeit und hohen mechanischen Stabilität ermöglicht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    einen Längsschnitt einer elektrischen rotierenden Maschine,
    FIG 2
    eine dreidimensionale Darstellung einer Wickelkopfanordnung für eine elektrische rotierende Maschine,
    FIG 3
    einen vergrößerten Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer Wickelkopfanordnung,
    FIG 4
    einen Querschnitt von Leitern einer Wickelkopfanordnung,
    FIG 5
    eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung,
    FIG 6
    einen vergrößerten Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Wickelkopfanordnung,
    FIG 7
    einen vergrößerten Querschnitt einer dritten Ausführungsform einer Wickelkopfanordnung.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
  • FIG 1 zeigt einen Längsschnitt einer elektrischen rotierenden Maschine 2, welche beispielhaft als Synchronmaschine ausgeführt ist. Die Synchronmaschine weist einen um eine Rotationsachse 4 rotierbaren Rotor 6, der exemplarisch als Schenkelpolläufer ausgeführt ist, und einen den Rotor 6 umgebenden Stator 8 auf. Zwischen dem Rotor 6 und dem Stator 8 befindet sich ein Spalt 10, der insbesondere als Luftspalt ausgeführt ist. Die Rotationsachse 4 definiert eine Axialrichtung, eine Radialrichtung und eine Umfangsrichtung. Der Rotor 6 umfasst eine Welle 12 und Schenkelpole 14 mit einer Erregerwicklung 16. Alternativ weist der Rotor 6 Permanentmagnete oder einen Kurzschlusskäfig auf.
  • Der Stator 8 umfasst ein magnetfeldführendes, insbesondere wirbelstromunterdrückendes, Statorelement 18, welches beispielsweise als Blechpaket ausgeführt ist, und eine Statorwicklung 20. Die Statorwicklung 20 umfasst Spulenstäbe 22, welche beispielsweise aus Kupfer hergestellt sind und in Axialrichtung durch das magnetfeldführende Statorelement 18 verlaufen. Die axialen Enden der Spulenstäbe 22 sind jeweils mit einer Wickelkopfanordnung 24 verbunden. Anschlüsse der Statorwicklung 20, beispielsweise an einen Klemmenkasten, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • FIG 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Wickelkopfanordnung 24 für eine elektrische rotierende Maschine 2. Die Wickelkopfanordnung 24 umfasst beispielhaft zwei in Axialrichtung hintereinander angeordnete Ebenen E1, E2 mit jeweils einem isolierenden Grundkörper 26, 28. Die Wickelkopfanordnung 24 ist für eine Zweischichtwicklung vorgesehen. Der isolierende Grundkörper 26, 28 weist im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form auf und ist aus einem dielektrischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem keramischen Werkstoff, mit einer Durchschlagsfestigkeit von mindestens 10 kV/mm hergestellt. Jeder Ebene ist eine Mehrzahl von Leitern 30 zugeordnet, wobei die Leiter 30 mit dem jeweiligen isolierenden Grundkörper 26, 28 verbunden sind. Die Leiter 30 weisen beispielhaft einen rechteckigen oder quadratischen Leiterquerschnitt auf und sind aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Kupfer, mit einer Leitfähigkeit von mindestens 50 MS/m hergestellt. An den Leitern 30 sind metallische Verbindungsabschnitte 32 angeordnet, um eine Verbindung der Leiter 30 zu den jeweiligen Spulenstäben 22 herzustellen. Darüber hinaus sind die Leiter 30 der jeweiligen Ebenen E1, E2 über elektrisch leitfähige Verbindungselemente 34 verbunden. Beispielsweise sind die Verbindungselemente 34 aus Kupfer hergestellt. Die weitere Ausgestaltung der Wickelkopfanordnung 24 in FIG 2 entspricht der in FIG 1.
  • FIG 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer Wickelkopfanordnung 24. Die Leiter 30 sind über zumindest je eine Zwischenschicht 36 mit dem jeweiligen isolierenden Grundkörper 26, 28 verbunden, wobei die Zwischenschicht 36 ein Leiterfundament bildet und über eine formschlüssige Verbindung mit dem jeweiligen isolierenden Grundkörper 26, 28 verbunden ist. Die Zwischenschicht 36 ist aus einem Werkstoff hergestellt, welcher sich vom dielektrischen Werkstoff des jeweiligen isolierenden Grundkörpers 26, 28 und vom metallischen Werkstoff der Leiter 30 unterscheidet. Die Zwischenschicht 36 ist beispielsweise aus Silber, Aluminium, Antimon, Magnesium, Zinn, Zink, Blei, Tantal oder aus einer Mischung und/oder aus mindestens einer Legierung davon hergestellt. Optional weist die Zwischenschicht 36 zusätzliche Füllstoffe, wie beispielsweise einen keramischen Werkstoff, auf.
  • Die Leiter 30 sind aus elektrisch leitfähigen Festkörperpartikeln hergestellt, welche mittels eines ersten thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, aufgesprüht sind. Die elektrisch leitfähigen Festkörperpartikel enthalten beispielsweise Kupfer, wobei mittels des ersten thermischen Spritzverfahrens eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 50 MS/m erzielt wird.
  • Die Zwischenschicht 36 ist ebenfalls aus elektrisch leitfähigen Festkörperpartikeln hergestellt, welche mittels eines zweiten thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, auf den isolierenden Grundkörper 26, 28 aufgesprüht sind, wobei sich das zweite thermische Spritzverfahren vom ersten thermischen Spritzverfahren unterscheidet. Insbesondere unterscheidet sich das zweite thermische Spritzverfahren vom ersten thermischen Spritzverfahren hinsichtlich einer Art der verwendeten Partikel, einer Geschwindigkeit der Partikel und/oder einer Größe der Partikel. Alternativ wird die Zwischenschicht 36 durch ein anderes Verfahren, beispielsweise durch Gießen oder durch ein galvanisches Verfahren, hergestellt. Die weitere Ausgestaltung der Wickelkopfanordnung 24 in FIG 3 entspricht der in FIG 2.
  • FIG 4 zeigt einen Querschnitt von Leitern 30 einer Wickelkopfanordnung 24, wobei die Leiter 30 über je eine Zwischenschicht 36 mit einem isolierenden Grundkörper 26 verbunden sind. Die Zwischenschicht 36 ist jeweils in Nuten 38 des isolierenden Grundkörpers 26 angeordnet. Die Nuten 38 weisen eine Profilierung 40 auf, über welche eine formschlüssige Verbindung mit dem isolierenden Grundkörper 26 hergestellt wird. Insbesondere ist die Nut 38 nach außen hin sich verjüngend profiliert, um eine formschlüssige Verbindung der jeweiligen Zwischenschicht 36 mit dem isolierenden Grundkörper 26 zu gewährleisten. Beispielsweise ist die Nut 38 als Hammerkopfnut oder als Schwalbenschwanznut ausgeführt. Die weitere Ausgestaltung der Wickelkopfanordnung 24 in FIG 4 entspricht der in FIG 3.
  • FIG 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung 24, wobei zunächst ein isolierender Grundkörper 26 aus einem dielektrischen Material mit Nuten 38 bereitgestellt wird. Die Nuten weisen eine Profilierung 40 auf, durch welche ein Überstand des dielektrischen Materials des isolierenden Grundkörpers 26, beispielsweise im Bereich einer Öffnung der Nut 38, entsteht.
  • In einem weiteren Schritt wird eine Zwischenschicht 36 in den Nuten angeordnet, welche im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche 42 des isolierenden Grundkörpers 26 abschließt. Die Zwischenschicht 36 wird mittels eines zweiten thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, auf den isolierenden Grundkörper 26 aufgesprüht. Um die Nut 38 trotz der Profilierung 40 homogen auszufüllen, werden die Partikel des zweiten thermischen Spritzverfahrens aus unterschiedlichen Richtungen in die jeweilige Nut 38 gesprüht. Alternativ wird die Zwischenschicht 36 auf andere Weise, beispielsweise durch Gießen oder durch ein galvanisches Verfahren, in die Nuten 38 eingebracht.
  • In einem weiteren Schritt werden Leiter 30 mittels eines ersten thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, auf die Zwischenschicht 36 aufgesprüht. Insbesondere bei der Verwendung von Partikeln aus Kupfer, welche mittels Kaltgasspritzen auf die Zwischenschicht 36 aufgesprüht werden, ermöglicht die Zwischenschicht 36 eine bessere Haftung und eine größere Partikeldichte, da die Partikel mit einer größeren Geschwindigkeit auf die Zwischenschicht 36 als auf den isolierenden Grundkörper 26 gesprüht werden können. Neben einer verbesserten Stabilität ergibt sich bei der Verwendung einer Zwischenschicht 36 für die Leiter 30 eine größere elektrische Leitfähigkeit. In einem weiteren nicht in FIG 5 dargestellten Schritt wird eine elektrische Isolation zumindest auf die Leiter 30 aufgebracht. Die weitere Ausgestaltung der Wickelkopfanordnung 24 in FIG 5 entspricht der in FIG 4.
  • FIG 6 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Wickelkopfanordnung 24. Die Leiter 30 sind beidseitig über je eine Zwischenschicht 36 mit einem isolierenden Grundkörper 26 verbunden, wobei jeweils eine Seite des isolierenden Grundkörpers 26 mit den jeweiligen Zwischenschichten 36 und damit verbundenen Leitern 30 eine Ebene E1, E2 bildet. Die Leiter 30 der Ebenen E1, E2 sind über elektrisch leitfähige Verbindungselemente 34, welche beispielsweise aus Kupfer hergestellt sind, miteinander verbunden. Darüber hinaus weist die Wickelkopfanordnung 24 mindestens einen Kühlkanal 46 auf, um die stromdurchflossenen Leiter 30 der Wickelkopfanordnung 24 durch eine durch den mindestens einen Kühlkanal 46 fließende Kühlfluidströmung beidseitig zu kühlen. Beispielsweise ist der mindestens eine Kühlkanal 46 in Axialrichtung angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist der mindestens eine Kühlkanal 46 zumindest teilweise in Radialrichtung angeordnet. Als Kühlfluid sind Luft, Prozessgas, Wasser, Öl oder andere flüssige und/oder gasförmige Kühlmedien verwendbar. Die weitere Ausgestaltung der Wickelkopfanordnung 24 in FIG 6 entspricht der in FIG 5.
  • FIG 7 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer dritten Ausführungsform einer Wickelkopfanordnung 24, welche zwei in Axialrichtung hintereinander angeordnete Ebenen E1, E2 mit jeweils einem isolierende Grundkörper 26, 28 umfasst. Die isolierenden Grundkörper 26, 28 weisen Kühlkanäle 46 auf, wobei zumindest ein Kühlkanal 46 des ersten isolierenden Grundkörpers 26 fluidtechnisch mit zumindest einem Kühlkanal 46 des zweiten isolierenden Grundkörpers 28 verbunden ist. Die weitere Ausgestaltung der Wickelkopfanordnung 24 in FIG 7 entspricht der in FIG 6.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung 24 für eine elektrische rotierende Maschine 2. Um eine Wickelkopfanordnung 24 anzugeben, die, im Vergleich zum Stand der Technik, einfacher und kostengünstiger herzustellen ist, wird vorgeschlagen, dass die Wickelkopfanordnung 24 mindestens einen isolierenden Grundkörper 26, 28 aufweist, welcher zumindest teilweise aus einem dielektrischen Werkstoff hergestellt ist, wobei eine Mehrzahl von Leitern 30 aus einem metallischen Werkstoff über zumindest je eine Zwischenschicht 36 mit dem isolierenden Grundkörper 26, 28 verbunden werden, wobei die Zwischenschicht 36 aus einem Werkstoff, welcher sich vom dielektrischen Werkstoff und vom metallischen Werkstoff unterscheidet, hergestellt wird, wobei die Leiter 30 mittels eines ersten thermischen Spritzverfahrens auf die Zwischenschicht 36 aufgesprüht werden.

Claims (18)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfanordnung (24) für eine elektrische rotierende Maschine (2) mit mindestens einem isolierenden Grundkörper (26, 28), welcher zumindest teilweise aus einem dielektrischen Werkstoff hergestellt ist,
    wobei eine Mehrzahl von Leitern (30) aus einem metallischen Werkstoff über zumindest je eine Zwischenschicht (36) mit dem isolierenden Grundkörper (26, 28) verbunden werden,
    wobei die Zwischenschicht (36) aus einem Werkstoff, welcher sich vom dielektrischen Werkstoff und vom metallischen Werkstoff unterscheidet, hergestellt wird,
    wobei die Leiter (30) mittels eines ersten thermischen Spritzverfahrens auf die Zwischenschicht (36) aufgesprüht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei die Leiter (30) mittels Kaltgasspritzen, auf die Zwischenschicht (36) aufgesprüht werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    wobei die Zwischenschicht (36) zumindest über eine formschlüssige Verbindung mit dem isolierenden Grundkörper (26, 28) verbunden wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    wobei die Zwischenschicht (36) mittels eines zweiten thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, auf den isolierenden Grundkörper (26, 28) aufgesprüht wird,
    wobei sich das zweite thermische Spritzverfahren vom ersten thermischen Spritzverfahren unterscheidet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    wobei sich das zweite thermische Spritzverfahren hinsichtlich einer Geschwindigkeit und/oder einer Größe der Partikel vom ersten thermischen Spritzverfahren unterscheidet.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    wobei die Zwischenschicht (36) zumindest teilweise in Nuten (38) des isolierenden Grundkörpers (26, 28) angeordnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 6,
    wobei die Nuten (38) des isolierenden Grundkörpers (26) eine Profilierung (40) aufweisen, über welche die formschlüssige Verbindung hergestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    wobei in einem weiteren Schritt eine elektrische Isolation aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    wobei Kühlkanäle (46) im isolierenden Grundkörper (26) angeordnet werden.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    wobei die Leiter (30) in zumindest zwei, insbesondere in Axialrichtung hintereinander angeordneten, Ebenen (E1, E2) angeordnet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    wobei die Leiter (30) der zumindest zwei Ebenen (E1, E2) über Verbindungselemente (34) miteinander verbunden werden.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    wobei ein dielektrischer Werkstoff mit einer Durchschlagsfestigkeit von mindestens 10 kV/mm verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    wobei ein metallischer Werkstoff verwendet wird, welcher eine höhere elektrische Leitfähigkeit und/oder eine höhere Festigkeit als der Werkstoff der Zwischenschicht (36) aufweist.
  14. Wickelkopfanordnung (4) für eine elektrische rotierende Maschine (2), welche nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
  15. Stator (8) für eine elektrische rotierende Maschine (2), welcher ein magnetfeldführendes Statorelement (18) und mindestens eine Wickelkopfanordnung (24) nach Anspruch 14 aufweist.
  16. Stator (8) nach Anspruch 15,
    welcher Spulenstäbe (22) aufweist, welche zumindest teilweise im magnetfeldführenden Statorelement (18) verlaufend angeordnet und mit den Leitern (30) der Wickelkopfanordnung (24) verbunden sind.
  17. Stator (8) nach Anspruch 16,
    wobei die Leiter (30) im Wesentlichen senkrecht zu den Spulenstäben (22) angeordnet sind.
  18. Elektrische rotierende Maschine (2) mit mindestens einem Stator (8) nach einem der Ansprüche 15 bis 17.
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